大气压低温等离子体射流数值模拟

摘要

大气压低温等离子体射流是近年来蓬勃发展的一种新型大气压低温气体放电技术，是目前国际上等离子体科学和技术领域的重要研究热点之一。近年来对大气压低温等离子体射流的实验和模拟研究己被广泛进行,人们对这种放电的性质也有了一定的了解和认识，但是在这样一个具有强烈非线性的空间扩展耗散型放电系统中,放电行为是非常复杂的,有许多方面仍然处于研究讨论之中。在本论文中,采用二维流体力学模型,通过耦合求解泊松方程和漂移-扩散方程，分别对纯氦气等离子体射流、周围气体为空气的氦气等离子体射流、悬浮电极对等离子体射流影响进行数值模拟研究，对现有的各类实验现象进行数值模拟，最终对射流推进的物理机制做出数值解答。
　　具体内容包括以下几个方面:
　　1纯氦气中等离子体射流的行为和性质。研究了纯氦气在射流中电场，粒子密度，电离速率的动态演化，并研究了电源参数（电压幅值、电压极性、脉冲上升沿时间、电极形状）、工作气体参数（射流半径）及种子电子和光电离等对射流的影响，研究结果表明：1）电压幅值越大，等离子体子弹速度越大；2）脉冲上升沿越短，等离子体长度越大；3）一定范围内射流半径越小，等离子体长度越大；4）各种等离子体射流装置在沿着射流传播方向有着相似的电场分布；5）光电离作用在于在等离子体子弹头部产生一小片“等离子体云”，在种子电子密度较低时对等离子体传播起重要作用，但是当种子电子密度较大时，作用不明显。
　　2周围气体是空气的氦气等离子射流。研究了工作气体为氦气，周围气体为空气的等离子体射流，得到了氦气在空气中的摩尔分布，考虑氦气与空气的电化学反应，得到了射流中的电场、各种粒子密度、电离速率的动态演化，研究了电压的极性，潘宁电离及种子电子密度的影响。研究结果表明：1）由于空气扩散作用，等离子体传播速度，长度明显比纯氦气中小；2）正脉冲等离子体长度远大于负脉冲，且正脉冲等离子体头部像球形，负脉冲等离子体头部像箭头；3）潘宁电离对等离子体环状结构作用不太明显，但在等离子体传播过程中起重要作用；4）高密度的种子电子密度导致等离子体的传播不再以单纯的子弹前进，表明种子电子在等离子体形成，形态，动态过程起到重要的作用。
　　3.悬浮电极对等离子体射流影响。将盐水和金属网（悬浮电极）包裹石英玻璃管，通过高速摄影机拍摄射流的动态过程，推断出产生分段等离子体的原因，最后通过数值模拟验证。研究结果表明：随着等离子体子弹的推进，悬浮电极电压升高，最终导致悬浮电极管内电场较低，不足以维持放电的继续，从而初级等离子体子弹速度减小，亮度变暗直至消失，而悬浮电极本身由于电压升高，在管的末段产生较强电场，导致次级等离子体子弹产生并向前推进，最终在悬浮电极包裹的管内区域形成一段不发光通道。

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1 引言

1.1大气压等离子体

1.2大气压低温等离子体射流

1.3大气压低温等离子体射流的研究意义及其研究现状

1.4大气压低温等离子体射流的数值模拟

1.5本论文的主要内容及其创新

2 理论模型及数值方法

2.1基本公式

2.2二维柱座标下的情况

2.3数值方案

2.4初始条件和边界条件

2.5算法的稳定性条件

2.6代码的优化及程序流程图

2.7本章小结

3 纯氦气等离子体射流研究

3.1模拟参数选取

3.2基本特性

3.3参数研究

3.4本章小结

4 周围气体为空气的氦气等离子体射流研究

4.1氦气在空气中分布

4.2等离子体射流的时空动态行为

4.3参数研究

4.4本章小结

5 悬浮电极对等离子体射流影响研究

5.1实验装置

5.2实验结果

5.3理论模型

5.4模拟结果

5.5本章小节

6 结论

致谢

参考文献

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